Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

How to handle uncertainty in future projections?

Samankaltaiset esitykset


Esitys aiheesta: "How to handle uncertainty in future projections?"— Esityksen transkriptio:

1 How to handle uncertainty in future projections?
Samu Mäntyniemi, Fisheries and Environmental Management group (FEM), University of Helsinki Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

2 My background PhD in biometry Bayesian inference in fisheries science
Dynamic models Alternative model structures Lots of uncertain parameters Interest in latent variables: the true stock size has never been observed Role in the FEM group Supervising the use of statistical methods Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

3 Purpose and outline of the talk
Food for thought Basic principles illustrated with simple examples Three parts Part I: There is no uncertainty Part II: Correlation is good for you Part III: Weight the average Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

4 Part I: There is no uncertainty
Uncertainty does not physically exist Uncertainty exists in mind Uncertainty only exists in the context of a person Subjective object by definition Uncertainty of a ”collective mind” Scientific community Panel of experts Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

5 Uncertainty about the future
When future becomes observed, it is not the future anymore We can only have beliefs about the future The belief can be well documented, consistently updated and scientifically sound But it is still a (scientific) belief Varies between scientists Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

6 Is my uncertainty more correct than yours?
Uncertainty is what it is: everyone is right Being wise afterwards: a reality check? Predict the future Observe what really happened Compare and learn : ”calibration” Some statements of uncertainty fit to observations better than others How to take this into account? Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

7 Sources of uncertainty: Why I am uncertain?
Unexplained natural variability Can be reduced by better modeling Uncertainty about causalities Alternative models Uncertainty about model parameters More data -> less uncertainty Uncertainty about implementation of management actions How will governments, industry and consumers react? Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

8 How to handle uncertainty systematically?
Probability: measure of uncertainty Interpretation of probability: Relative frequency Or degree of belief? RF is not defined for unique events can not be repeated Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

9 Handling uncertainty : statistical inference
Classical (frequentist) statistics Uncertainty about potential data sets under a fixed hypothesis: long run relative frequencies Assumes a repeatable experiment to define the concept of probability Bayesian statistics Uncertainty about hypotheses given a fixed set of data Probability : personal degree of belief Data consists of facts, everything else is a matter of believing Mathematical logic for handling beliefs Transparent and consistent framework Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

10 Learning from experience : location of a fish school
1. Prior knowledge 1 0.8 2. New observation 0.6 Probability 0.4 0.2 3. Learning Estuary Offshore 4. Posterior knowledge Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

11 The Bayes’ rule: ”Artificial intelligence”
h : hypothesis x : observed data Likelihood: interpretation of observed data Prior: initial knowledge Posterior: updated knowledge Normalizing constant: predictive probability of data Learning: use posterior as prior for the next case

12 Part I : Summary I Everyone is right about their own uncertainty/beliefs Best we can do: Systematic approach to our own uncertainty Honest account of uncertainty Emphasize clear communication of uncertainty But some people’s beliefs are more consistent with data than others : higher ”expertise” Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

13 Part I : Summary II Classical statistics : Bayesian statistics:
No direct statements of uncertainty about past and future states of nature, no parameter/structural uncertainty Bayesian statistics: Consistent framework for handling beliefs Probability as measure of uncertainty Baye’s rule for learning from data Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

14 Part II: Correlation is good for you
”Correlation of parameter estimates is a problem, as it indicates that the parameters are difficult to identify” On the other hand: Higher correlation = more information Less correlation = less information Example from linear regression Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

15 Bayesian linear regression: predicting surface runoff using precipitation
Priors Intercept : between -50 and 0 Slope: betweem 0 and 1 Add one data point at a time Show predictions with and without correlation of parameters Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

16 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

17 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

18 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

19 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

20 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

21 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

22 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

23 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

24 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

25 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

26 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

27 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

28 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

29 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

30 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

31 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

32 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

33 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

34 Part II: Summary Correlation is information
Include correlation when predicting, not just the marginal distributions Report the correlation of your parameter estimates, so that others can use it When using expert knowledge to formulate priors for prediction, try to assess the combinations of variables. Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

35 Part III: model averaging
Multiple models Each model gives different prediction Not sure which model is ”true” How to take this uncertainty into account? Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

36 Bayesian Model Averaging
Each model represents a hypothesis Baye’s rule: probability of a hypothesis | data Just use it! Give prior weights to models before seeing the data Predict the next time step Update the weights based on observed data Go to (2) Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

37 Example: three models for an environmental Index
Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

38 Uncertainty: which model is ”true”?
Bayesian approach: assing prior probability for each model before seeing the data In this example: pretend that ”nothing” is know a priori P(model=white noise) = 1/3 P(model=white noise | data) = ? Demonstration Predict upcoming data Observe data Update P( model | data), use as prior for next case Go to (1) Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

39 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

40 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

41 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

42 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

43 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

44 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

45 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

46 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

47 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

48 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

49 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

50 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

51 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

52 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

53 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

54 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

55 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

56 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

57 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

58 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

59 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

60 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

61 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

62 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

63 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

64 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

65 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

66 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

67 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

68 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

69 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

70 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

71 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

72 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

73 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

74 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

75 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

76 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

77 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

78 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

79 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

80 How it works? P(data)=ΣP(data | model)P(model) In other words: Predictive distribution of data is weighted average of model specific predictive distributions Weights are updated based on the predictive performance of individual models Just using the Bayes’ rule Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

81 The next step Prediction using updated weights P(model | data)
Update the weights again using a new observation Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

82 And so on… Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

83 Part III: summary Bayesian Model Averaging : consistent way of accounting for model uncertainty Theory is very simple Practice can be difficult Typically analytically intractable Approximations needed Ideal: parameters of each model should be updated after each new data point : ”Correlation is information” Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

84 Methods to estimate uncertainties of scenario simulations
Bayesian framework Structural & parameter uncertainty Expert knowledge and data Fit all models to all data using Baye’s rule : full uncertainty accounted for, including the effect of correlations of parameter estimates Computational tools Monte Carlo methods: parameter estimation & model uncertainty Bayesian networks : Decision anlysis, integration of simulation output, interactive format Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

85 Possibilities to combine Bayesian risk analysis and climate change ensemble modelling?
If the models in the ensemble provide probabilistic prediction: Should be straightforward, in theory Computational problems may arise If the models are deterministic Not possible without changes to models Predict a data set, learn residual variation -> use as uncertainty in further predictions And/or use expert judegement to estimate the uncertainty Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

86 Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

87 Monthly Weather Review, 133, 1155-1174
Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

88 Thank you! Biotieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi


Lataa ppt "How to handle uncertainty in future projections?"

Samankaltaiset esitykset


Iklan oleh Google